[发明专利]一种制备多尺寸环形莫桑石的有效方法

说明书

本发明公开了一种制备多尺寸环形莫桑石的有效方法，通过使用碳化硅单晶衬底‑多尺寸环形石墨圆筒复合衬底，该复合衬底背面粘在石墨坩埚盖内层，环形石墨圆筒粘在衬底生长面上，在石墨坩埚内底部放入高纯的碳化硅原料，采用物理气相传输法进行晶体生长，得到环形莫桑石，可以更为便捷的加工为不同孔径的环形饰品。

技术领域

本发明涉及一种莫桑石制备方法，尤其涉及一种多尺寸环形莫桑石制备方法。

背景技术

宝石是一种常见的佩戴或装饰饰品。宝石类饰品分为天然宝石和人工宝石，天然宝石由于蕴藏量小，杂质含量高而难以普遍用于饰品市场，极少数较为纯净的天然宝石可以用于饰品加工，但其价格极其昂贵。

莫桑石又称为碳硅石或碳化硅宝石，其硬度仅次于钻石，因而难以磨损且不易被腐蚀，而且可以通过制备过程中的不同掺杂而得到不同颜色的莫桑石。莫桑石折射率较高，热稳定性极好，是一种很好的天然宝石替代品。天然莫桑石100多年前就被人类发现，但由于其尺寸小，杂质含量高而难以得到应用。人工莫桑石在制备之初，其尺寸小，质量低，杂质及缺陷密度大，所以无论在材料领域还是宝石饰品方面都无法市场化。

在宝石饰品中，钻石因其存量稀少而且外观璀璨迷人，所以价格极其昂贵。因而在宝石饰品市场中长期以来一直在寻找钻石替代品。曾经有玻璃、锆石等都当成过钻石替代品。但是玻璃折射率较低，没有天然火彩，宝石性能差，而锆石的硬度太低，虽然容易加工，但是也容易磨损，很难形成漂亮的棱角，其它宝石替代物也都存在这样那样的缺点。到了上世纪九十年代，大尺寸的莫桑石被制备出来，而且晶体质量有了很大的提高，因而慢慢开始用来作为钻石的替代品。莫桑石以其最接近于钻石的硬度，很好的透明度，比钻石还高的折射率及光泽度，其在宝石性能上具有更好的火彩，所以作为宝石饰品更为迷人耀眼。与钻石比起来，莫桑石除了具有上述优越性，而且可以通过在制备过程中的不同元素掺杂，进而得到粉色、黄色、绿色等彩色宝石，也可以由高纯原料制备得到无色莫桑石。虽然宝石性能与钻石最为接近，某些方面表现更佳。但其价格比起钻石则极为亲民，因而成为普通消费者的良选。大尺寸高质量莫桑石的制备更使得根据客户需求提供定制产品成为现实。这一优势极大推动了莫桑石的宝石市场。

在莫桑石的制备过程中，原料放入密封的石墨坩埚，而在石墨坩埚的顶部放入同质衬底，利用温度梯度为驱动力，高温下以升华法在衬底上外延生长出新的大尺寸莫桑石晶体。生长得到的莫桑石晶体经过切割、打磨、抛光等加工工艺，最终得到形态各异的莫桑石饰品。

因为莫桑石的硬度很大，最接近钻石，而且具有脆性，因此其切割、打磨、抛光等加工难度较大，加工成本在整体价格中占比很大。尤其在将块体莫桑石加工为小尺寸的、非直线型尺寸的宝石时尤为困难。不仅需要昂贵的加工设备，而且需要很长的加工时间，所以莫桑石宝石的生产效率低，成品率低、产品形态单一。这就给莫桑石宝石的市场化带来很大困难。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明提供了一种制备多尺寸环形莫桑石的有效方法，通过使用碳化硅单晶衬底-多尺寸环形石墨圆筒复合衬底，将复合衬底背面固定在石墨坩埚上盖内侧，衬底生长面与碳化硅原料相对，将拧紧密封的石墨坩埚放入加热炉中进行莫桑石生长制备，生长炉通过中频感应线圈加热，制备温度控制在2100℃-2300℃，其中复合衬底位置温度保持在2100℃-2150℃，碳化硅原料区温度保持在2250℃-2300℃，在氩气气氛下生长，反应室内气压在1-4×10⁴Pa之间，生长时间大于100小时，待炉温冷却至室温，取出生长的莫桑石；去除中间的环形石墨圆筒，即可得到不同直径的环形莫桑石及中间的圆柱形莫桑石，得到的环形莫桑石可以直接用做宝石原料，进行后期的宝石加工，得到不同直径的环形莫桑石宝石产品。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种制备多尺寸环形莫桑石的有效方法，包括下述步骤：